前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法与流程

本发明涉及煤矿开采或者金属矿山开采大直径钻孔卸压领域，具体涉及一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法。

背景技术：

我国是采煤大国，据国家能源局统计，截至2015年底，全国煤矿总规模为57亿吨，煤炭消费量占能源消费总量的64.0％。随着开采强度和开采深度的增加，加之煤田地质条件的复杂性，我国煤矿受冲击地压等动力灾害的威胁日益加剧。针对该问题，众多学者在冲击地压监测预警和综合防治当前的研究取得了长足的进展，为煤炭的安全开采提供保障。

钻孔卸压技术针对煤矿冲击地压防治的一种有效的局部性主动解危措施可以避免高应力集中和改善煤岩体介质性质以减弱积聚弹性能的能力。在煤体或岩体中的钻孔卸压法因具有效率高、成本低、卸压效果好等优点受到煤矿企业的青睐。影响钻孔卸压效果的因素主要包括地质因素和技术因素，其中地质因素在特定区域的对卸压性能的影响甚微，技术因素占据主要。在现场实践中，可调节的关键参数主要包括钻孔深度、孔径、钻孔排间距等技术因素，其中钻孔深度、孔径与卸压效果成正比，钻孔间排距与卸压效果成反比。

工程实践表明，卸压钻孔的深度在实际打设时很难增加，因此，工程实际中往往通过增加钻孔直径或减小钻孔间排距来提高卸压效果。然而，通过增加卸压钻孔直径或减小钻孔间排距在满足卸压效果的同时往往会破坏巷道或采场表面一定深度围岩的完整性，使得靠近煤壁或岩壁区域的岩石破碎严重，进而导致巷道支护失效，引发巷道或采场围岩大面积变形，容易造成人员伤亡或财产损失。因此，研发一种既能保证巷道或采场表面一定深度围岩的完整性防止支护系统失效，又能满足卸压效果的钻孔形式成为现阶段亟需解决的问题。

为了解决上述技术问题，相关学者做了研究，但是传统的扩孔装置及相关方法还存在以下不足之处：

(1)一般采用后退式扩孔方法，即采用小孔径钻孔钻进至钻孔末端，使用高压水激发装置进行扩孔，该方式工作量较大造成施工成本升高；(2)扩孔时的施工参数难以定量，部分装置依靠钻杆转速影响扩孔，造成无法选择定量的参数进行扩径；(3)无法精确控制底部开出的扩孔的直径，或者部分装置扩孔的直径是固定的，无法实现可控直径扩孔；(4)仅实现部分钻进过程排粉，不能满足全钻进过程的排粉，如高压水激发扩孔装置在钻进过程中无法进行通水或通气，使得钻孔碎屑难以排除钻孔引发堵塞，降低施工效率。

现有技术相关研究报道主要有：

cn207212272u公开了一种扩孔装置，主要是采用连杆实现扩径，该装置无法无法精确控制底部开出的扩孔的直径，钻杆转速影响扩孔的直径；无法进行钻孔过程的扩孔，也无法排粉。

cn108915686a公开了一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，主要是扩孔钻头端头两侧采用能够展开的刀翼实现扩孔，该装置无法实现钻进式钻孔，无法实现钻进全过程的排粉，同时扩孔直径是固定的，无法实现可控直径扩孔。

cn107503688a公开了一种巷道卸压结构、制作方法及其扩孔装置，其中扩孔装置为油控扩孔截割刀进行钻孔扩径，该方法需要增加额外的液压油控制系统，增加成本和工作量，而且该装置无法实现前进式扩孔、可控直径扩孔，同时，由于采用油控装置，造成孔内粉尘无法排出引发堵塞，降低施工效率。

cn107882510a公开了一种可变径钻孔用钻头装置及施工方法，其通过控制油缸伸缩控制活动刀排叶片打开的大小从而达到变径效果。其同样存在孔内粉尘无法排出的缺陷。

综上所述，现有技术中的试验装置还没有解决卸压钻孔钻进过程中在目标区域能够实现全自动变径、可控扩孔直径、全过程排粉等技术问题。因此，本领域相关研究人员致力于开发一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法，该卸压连杆钻头装置能够在在高压气体或高压水作用下，钻进过程中在目标区域能够实现全自动变径、可控扩孔直径、全过程排粉，即在设定的水压或气压作用下扩径连杆自动打开，扩孔的直径实现定量化控制，在前进扩孔期间实现全阶段排粉。

其采用了以下技术方案：

一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，其包括钻进钻头、卸压连杆及连杆端头，所述的钻进钻头位于装置的前端，所述的钻进钻头与所述的连杆端头通过所述的泄压连杆连接在一起，所述的连杆端头的另一端用于与钻孔过程中所需的钻杆连接，其特征在于：

所述的卸压连杆，包括卸压连杆主体、扩径切割头、固定刀头、支撑扩径杆、滑动连接楔、触发活塞、弹簧、滑动固定板及限位器；

所述的卸压连杆主体整体呈圆柱形，在所述的卸压连杆主体上设置两个凹槽分别作为连接楔轨道和固定板轨道，所述的滑动固定板位于所述的固定板轨道内，所述的滑动连接楔位于所述的连接楔轨道内，二者均可在各自的轨道内相对滑动；所述的的卸压连杆主体内部设置有水/气连通管和活塞腔，所述的活塞腔位于所述卸压连杆主体的中央，所述的水/气连通管位于卸压连杆主体的两侧，在所述的固定板轨道的上方间隔均匀的布置有若干限位孔，所述的连接楔轨道与所述的活塞腔连通；

在所述卸压连杆主体的两侧对称设置一组所述的扩径切割头、一组所述的支撑扩径杆及一组所述的固定杆，其中，每个扩径切割头的前端活动连接在所述的滑动固定板上，后端活动连接在与其同侧的固定刀头的前端，与其同侧的固定刀头的尾端活动连接在所述的卸压连杆主体上；

每个支撑扩径杆的前端活动连接在与其同侧的固定刀头上，其后端均活动连接在所述的滑动连接楔上，所述的滑动连接楔紧贴于所述触发活塞的一侧，所述的触发活塞位于所述的活塞腔内，并与所述的弹簧连接，所述的限位器布置在所述的限位孔内；

通过调节水压/气压的高低，所述的触发活塞可在所述的活塞腔内往复运动，所述的触发活塞向前运动时挤压所述的弹簧向前运动，从而带动所述的支撑扩径杆向前运动，所述的支撑扩径杆带动所述的扩径切割头和所述的固定刀头沿轴向运动，通过滑动固定板在所述固定板轨道内移动，来实现所述扩径切割头的定向运动；随着钻头的推进和旋转所述的扩径切割头来切割煤体，实现钻孔的扩径。

作为本发明的一个优选方案，所述的扩径切割头的表面交叉排布有扩径切割尺，所述的扩径切割尺呈三棱柱形态，所述扩径切割尺的材质为硬质合金。

作为本发明的另一个优选方案，所述的固定刀头的表面两侧设置有呈三棱柱形态排布的反向切割尺，所述反向切割尺的材质为硬质合金。

进一步的，所述的钻进钻头最大直径为90mm，所述的卸压连杆主体的最大直径为80mm，所述的连杆端头的最大直径为80mm，所述的扩径切割头的长度为115mm，所述的固定刀头的长度为125mm，所述的限位孔间距为25mm，限位孔的最大扩孔直径为180mm，最小扩孔直径为90mm，压缩弹簧的圆柱直径为15mm，长度为120mm，所述的触发活塞启动的水压或气压压力为0.8mpa，达到最大卸压直径180mm需要的最小水压为2.8mpa，达到卸压直径130mm需要的最小水压为1.7mpa。

进一步的，当钻进过程水压或气压大于0.8mpa时，所述触发活塞挤压所述弹簧向前移动。

进一步的，当钻进过程水压或气压大于1.7mpa时，所述滑动固定板运动至所述的限位器，使得所述的卸压连杆最大直径保持为130mm。

进一步的，当扩径工作完成后，将水压或气压调整为0，在所述的压缩弹簧作用下，所述的触发活塞回到原有位置，相应的所述扩径切割头和所述固定刀头恢复到原有位置，所述连杆主体有效扩径距离变为0，从而将所述的钻进钻头、卸压连杆和连杆端头回收。

进一步的，所述的钻进钻头包括环向切割刃、径向切割刃、钻身、紧固螺栓、加强筋和进水/进气孔，所述的钻身呈圆柱形，由三个竖向刀片组成，材质为硬质合金，所述的紧固螺栓位于所述的钻身下方，用于将所述的钻进钻头固定于所述的卸压连杆中，所述的加强筋布置与所述的钻身一侧，用于加固钻头，所述的进水/进气孔位于所述的钻进钻头中部，用于通气/通水将钻进时产生的岩石碎屑排出；所述的环向切割刃为圆柱形，位于所述的钻身表面，每一侧钻身上分布3个环向切割刃，材质由金刚石微粉、硬质合金组成；所述的径向切割刃分布于所述的钻身倒角处，呈流线型分布，材质由金刚石微粉、硬质合金组成。

进一步的，所述的连杆端头的前端设置内螺纹，后端设置外螺纹，所述的连杆端头通过内螺纹与所述的卸压连杆主体连接，通过外螺纹与钻杆连接。

本发明的另一任务在于提供上述前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置的使用方法，其包括以下步骤：

a、卸压目标区域的确定，依据煤矿实际地质条件，选取需要进行局部卸压处理的施工地点，确定卸压钻孔距离巷道帮部或煤壁的距离为0.5l～3l，扩孔直径dk为，

式中，l-距离煤壁的距离；dy-钻进钻头的最大直径；

b、水压/气压的选用，依据钻孔与水平的角度确定钻孔内采用水力排粉或者气动排粉，当钻孔与水平的夹角位于θ～90°时，孔内采用水力排粉，当钻孔与水平的夹角位于-90°～θ时，孔内采用气动排粉；

c、水压/气压与卸压直径关系的确定，依据卸压目标区域确定了扩孔直径为0.01l，进一步选择合适的压缩弹簧参数，进一步确定达到扩孔直径为0.01l时所需要的水压/气压大小pm及触发活塞运动的ps；

d、现场施工，在进行局部卸压处理的施工地点，依次将钻进钻头、卸压连杆和连杆端头通过钻杆连接于钻机之上，开启钻机向目标区域钻进，在达到目标区域前，水压/气压小于ps；

达到目标区域即距离煤壁大于0.5l且小于l时，水压/气压小于等于p，p的计算公式如式(2)：

达到目标区域即距离煤壁大于l且小于3l时，水压/气压小于等于p，p的计算公式如式(3)：

钻进至距离煤壁3l时，关闭水压/气压，利用钻机缓慢收回相关装置。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

第一、采用前进式扩孔方法，在钻孔钻进过程可直接进行扩孔，同时可以实现钻孔直径大小的定量化控制，该方式有效的减少了施工工作量，降低了工程成本；

第二、扩孔时的施工参数可以定量，在施工过程中扩孔直径可以实现全过程的自动化控制，在特定的区域自动选择合适的卸压直径，进而实现对卸压钻孔在不同压力区域的精细化布置，提高局部卸压效果；

第三、可以实现固定扩孔直径的钻进，也可实现全过程变径钻进；

第四、实现钻进全过程排粉，依据水压/气压的选折原理，使得钻孔碎屑可以有效排出钻孔，防止钻孔堵塞的发生，提高施工效率；

第五、提出固定直径扩孔及可变直径扩孔，面对煤矿或金属矿山负责的地质条件，提出多种卸压钻孔的使用及施工方法，有效、精准的实现对冲击地压危险区域进行合理的局部卸压，大大减小了施工工作量。

第六、本发明装置及其使用方法的研发既能保证巷道或工作面围岩的完整性，又能满足卸压效果。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置的整体装配图；

图2中(2a)是本发明一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置的整体剖面图，(2b)是(2a)的a-a`剖视图；

图3中(3a)是本发明一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置的工作状态剖面图，(3b)是(3a)的b-b`剖视图；

图4为本发明钻进钻头的立体图；

图5为本发明连杆端头的立体图；

图6为本发明卸压连杆主体的立体图；

图7为本发明扩径切割刀头的立体图；

图8为本发明固定刀头的立体图；

图9为本发明支撑扩径杆的立体图；

图10为本发明滑动连接楔的立体图；

图11为本发明触发活塞的立体图；

图12为本发明弹簧的立体图；

图13为本发明滑动固定板的立体图；

图14为本发明限位器的立体图；

图15为本发明固定直径扩孔施工示意图；

图16为本发明可变直径扩孔施工示意图。

附图标记如下：

1-钻进钻头；2-卸压连杆；3-连杆端头；4-钻杆；5-钻机；6-钻孔；7-卸压钻孔；8-目标区域；9-煤体、11-环向切割刃；12-径向切割刃；13-钻身；14-紧固螺栓；15-加强筋；16-进水/进气孔；21-卸压连杆主体；22-扩径切割头；23-固定刀头；24-支撑扩径杆；25-滑动连接楔；26触发活塞；27-弹簧；28-滑动固定板；29-限位器；211-连杆内螺纹；212-连杆外螺纹；213-水/气连通管；214-活塞腔；215-限位孔；216-连接楔轨道；217固定板轨道；221-扩径切割尺；231-反向切割尺。

具体实施方式

本发明提出了一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明中所述及的“活动连接”优选通过活动连接栓来实现活动连接。

本发明中所述及的“前端/前部”是指与钻进钻头方向侧的为前，“后端/后部”是指连杆端头侧的为后。

本发明中述及的“卸压连杆主体”简称“连杆主体”。

结合图1至图3所示，本发明一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，包括钻进钻头1、卸压连杆2、连杆端头3，钻进钻头1位于装置的前端，卸压连杆2连接于钻进钻头1和连接端头，连接端头连接钻杆4，使用时，在钻杆4末端连接钻机5，钻机启动带动钻杆4运动，钻进钻头1、卸压连杆2和连杆端头3一同随钻杆4转动。

钻进钻头1的主要结构如图4所示，包括环向切割刃11、径向切割刃12、钻身13、紧固螺栓14、加强筋15和进水/进气孔16，环向切割刃11为圆柱形，位于钻身13表面，每一侧钻身13上分布3个环向切割刃11，材质由金刚石微粉、硬质合金组成；径向切割刃12分布于钻身13倒角处，呈流线型分布。

钻身13呈圆柱形，由三个竖向刀片组成，材质为硬质合金，紧固螺栓14位于钻身13下方，用于将钻进钻头1固定于卸压连杆2中，加强筋15布置与钻身13一侧，用于加固钻头，进水/进气孔16位于钻进钻头1中部，用于通气/通水将钻进时产生的岩石碎屑排出。

连杆端头3的结构如图5所示，连杆端头的另一端用于与钻孔过程中所需的钻杆连接，优选通过其自身设置的外螺纹与钻杆连接。

作为本发明的主要改进点，卸压连杆2其主要结构结合图6至图14所示，卸压连杆2包括卸压连杆主体21、扩径切割头22、固定刀头23、支撑扩径杆24、滑动连接楔25、触发活塞26、弹簧27、滑动固定板28、限位器29，上述装置材质均为硬质合金；

扩径切割头22设置有两根，两根为一组，分别设置在卸压连杆主体的两侧，且二者沿着卸压连杆主体呈对称排布。

通过活动连接栓与滑动固定板28和固定刀头23连接，固定刀头23通过活动连接栓与扩径切割头22和压连杆主体连接，支撑扩径杆24通过活动连接栓与固定刀头23和滑动连接楔25连接，滑动连接楔25通过活动连接栓与支撑扩径杆24连接，并紧贴于触发活塞26一侧，触发活塞26布置于卸压连杆主体21的活塞腔214内，并于弹簧27连接，滑动固定板28通过活动连接栓与扩径切割头22连接，并固定于卸压连杆主体21的固定板轨道217内，限位器29布置于卸压连杆主体21的限位孔215内。

连杆主体包括连杆内螺纹211、连杆外螺纹212、水/气连通管213、活塞腔214、限位孔215、连接楔轨道216、固定板轨道217，连杆内螺纹211位于连杆主体前部端头，用于与钻进钻头1固定，连杆外螺纹212位于连杆主体后部端头，用于与连杆端头3固定，水/气连通管213位于连杆主体内部，成两侧对称分布，活塞腔214位于连杆主体中央，限位孔215等距分布于固定板轨道217上方，连接楔轨道216连通活塞腔214。

扩径切割尺221为三棱柱形态，交叉排布于扩径切割头22表面，材质为硬质合金，扩径切割头22分布于连杆主体两侧。

反向切割尺231为三棱柱形态，交叉排布于固定刀头23表面两侧，材质为硬质合金，固定刀头23分布于连杆主体两侧。

连杆端头3包括内螺纹、外螺纹和注水/注气孔，内螺纹分布于连杆端头3前部内侧用以连接连杆主体，外螺纹分布于连杆端头3后部外侧用以连接钻杆4。

进一步的，上述的钻进钻头最大直径为90mm，上述的卸压连杆主体的最大直径为80mm，上述的连杆端头的最大直径为80mm，上述的扩径切割头的长度为115mm，上述的固定刀头的长度为125mm，上述的限位孔间距为25mm，限位孔的最大扩孔直径为180mm，最小扩孔直径为90mm，压缩弹簧的圆柱直径为15mm，长度为120mm，上述的触发活塞启动的水压或气压压力为0.8mpa，达到最大卸压直径180mm需要的最小水压为2.8mpa，达到卸压直径130mm需要的最小水压为1.7mpa。

进一步的，当钻进过程水压或气压大于0.8mpa时，上述触发活塞挤压上述弹簧向前移动。

进一步的，当钻进过程水压或气压大于1.7mpa时，上述滑动固定板运动至上述的限位器，使得上述的卸压连杆最大直径保持为130mm。

进一步的，当扩径工作完成后，将水压或气压调整为0，在上述的压缩弹簧作用下，上述的触发活塞回到原有位置，相应的上述扩径切割头和上述固定刀头恢复到原有位置，上述连杆主体有效扩径距离变为0，从而将上述的钻进钻头、卸压连杆和连杆端头回收。

上述前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置的使用方法，包括以下步骤：

a、卸压目标区域的确定，依据煤矿实际地质条件，选取需要进行局部卸压处理的施工地点，确定卸压钻孔距离巷道帮部或煤壁的距离为0.5l～3l，扩孔直径dk为，

式中，l-距离煤壁的距离；dy-钻进钻头的最大直径；

b、水压/气压的选用，依据钻孔与水平的角度确定钻孔内采用水力排粉或者气动排粉，当钻孔与水平的夹角位于θ～90°时，孔内采用水力排粉，当钻孔与水平的夹角位于-90°～θ时，孔内采用气动排粉；

c、水压/气压与卸压直径关系的确定，依据卸压目标区域确定了扩孔直径为0.01l，进一步选择合适的压缩弹簧参数，进一步确定达到扩孔直径为0.01l时所需要的水压/气压大小pm及触发活塞运动的ps；

d、现场施工，在进行局部卸压处理的施工地点，依次将钻进钻头、卸压连杆和连杆端头通过钻杆连接于钻机之上，开启钻机向目标区域钻进，在达到目标区域前，水压/气压小于ps；

达到目标区域即距离煤壁大于0.5l且小于l时，水压/气压小于等于p，p的计算公式如式(2)：

达到目标区域即距离煤壁大于l且小于3l时，水压/气压小于等于p，p的计算公式如式(3)：

钻进至距离煤壁3l时，关闭水压/气压，利用钻机缓慢收回相关装置。

下面结合具体实施例来进一步说明。

实施例1：

利用本发明上述装置，可按照以下步骤进行固定直径扩孔施工，结合图15、16所示，具体方法包括：

(1)卸压目标区域的确定

依据某矿实际地质条件，选取需要进行局部卸压处理的施工地点，确定卸压钻孔7距离巷道帮部或煤壁的距离为0.5l～3l，扩孔直径为0.01l，l为岩体最大弹性积累区距离煤壁的距离，距离的计算公式为：

l＝13-0.5f-0.16rc1-0.2ξ+1.6m+1.68×10^-3h

式中：f-煤体坚固性系数，取f＝1.3；rc1-煤柱顶板岩层的抗压强度，取13.4mpa；ξ-煤层的倾角，取5°；m-采煤机割煤高度，1.3m；h-巷道埋深，卸压区域煤层的埋深204.5～221.5m，计算中取213m，经计算得l＝11.6m。

则卸压钻孔距离巷道帮部或煤壁的距离为5.8m～34.8m，扩孔直径为116mm，采用单排布置卸压钻孔钻孔6时，钻孔6距离底板的高度为0.65m，钻孔6垂直煤壁与水平夹角5°。

(2)水压/气压的选用

依据钻孔6与水平的角度确定钻孔内采用水力排粉或者气动排粉，当钻孔6与水平的夹角位于θ～90°时，孔内采用水力排粉，当钻孔与水平的夹角位于-90°～θ时，孔内采用气动排粉，θ的计算公式为：

θ＝0.38f²-6.86f+36.67

式中：f-煤体坚固性系数。经计算可得θ＝28.4°，因此，钻孔选用压气方式排粉。

(3)气压与卸压直径关系的确定

依据卸压目标区域8确定了扩孔直径为116m，进一步选择合适的压缩弹簧27参数，进一步确定达到扩孔直径为116m时所需要的气压为1.5mpa及触发活塞26运动的气压为0.8mpa。

(4)现场施工

在煤体9中进行局部卸压处理的施工地点，依次将钻进钻头1、卸压连杆2和连杆端头3通过钻杆4连接于钻机5之上，开启钻机5向目标区域8钻进，在达到目标区域8前，气压小于等于0.8mpa；达到目标区域8即距离煤壁5.8m后，气压小于等于1.5mpa；钻进至距离煤壁34.8m时，关闭气压，利用钻机5从煤体9中缓慢收回相关装置。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。